CN104008961A - 一种改善硅晶片机械性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体晶片技术领域，具体为一种改善半导体硅晶片机械性能的方法。本发明方法包括如下步骤：选择工业用FZ或CZ方法得到的硅晶片，对所述硅晶片彻底清洗；将所述硅晶片置于一定压强的含氮密闭气体氛围中；在所述气体氛围中，用超快激光辐照所述硅片。使用该方法得到的硅晶片，由于氮元素的超饱和重掺杂作用，氮元素聚集在硅晶片位错周围，形成团簇或复合物。所述团簇与复合物间具有强烈的相互作用并将位错锁定，达到增强该硅片机械性能的目的。同时，由于氮元素的超饱和重掺杂的效果，使得硅晶片中的氧含量减少，提高产品良率。
Description
技术领域
本发明属于半导体晶片技术领域，具体涉及一种改善半导体硅晶片机械性能的方法。
背景技术
随着现代科学技术的发展和进步，人们越来越多地追求现代高科技，同时现代高科技也逐渐改变着人类的生产和生活。其中半导体材料在现代高科技产业的应用，前进步伐快、发展势头强，例如半导体材料在先进防御技术、自动化技术、能源技术、航天技术、信息技术以及民用等各方面是必不可少的一种功能材料，所以半导体工业的发展水平也是衡量一个国家先进程度的一个重要依据。
半导体材料技术领域中，以硅材料的应用最为广泛，例如，电子元器件90%以上都是由硅材料制备的。就目前来讲，由于硅材料多数是以晶圆或将其加以切割的形式用作生产器件，因此无论单晶硅、多晶硅还是无定形硅等各种硅晶片，在制备器件过程中容易断裂成为一个普遍存的问题。即有时候其机械性能满足不了器件制备过程的需要，导致大量硅晶片还未用于制作器件就已失效，而造成大量硅晶片的浪费。同时硅晶片生长过程中产生一些缺陷比如空位，自间隙硅原子，间隙氧态，以及位错等，使所用硅晶片生产的器件性能下降，因此控制硅片中的生长缺陷也变得尤为重要。制备过程中引入的间隙氧态，使得氧和硅中的其它微量杂质构成亚稳态缺陷结构并成为深能级复合中心，使得用硅材料生产的器件性能下降。
目前，业界内存在关于硅晶片机械性能与氧含量的理论和实验研究（1-3），但大多数采用氮气环境下，直拉法或区熔法生长硅片的过程中将氮元素掺入硅片，这种方法所掺氮原子的浓度约5.4×1015cm-3，略高于氮在硅中的固溶度4.5×1015cm-3，对硅片的性能改进效果甚微。因此如何通过增强硅材料的机械性能并降低其氧含量增加使用硅晶片生产器件的产出率，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
另外，更多关于区熔法或直拉法将特定物质掺入硅材料的介绍请参考公开号分别为CN101399297B、CN101148777B、CN101694008A的中国专利。
参考文献：
【1】
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【3】Nitrogen
diffusion and interaction with dislocations in single-crystal silicon J. Appl. Phys. 105, 013519 (2009)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改善硅晶片机械性能的方法，用以提高硅材料的机械性能，尤其机械强度和断裂韧性方面的提高，并且使硅晶片中的氧含量通过氧沉淀的方式减少，使得该硅材料生产器件的产出率提高。
本发明所提供的改善硅晶片机械性能的方法，能增强硅晶片机械性能并降低其氧含量；具体步骤如下：
步骤1：选择本征硅晶片、N型掺杂硅晶片、P型掺杂硅晶片或者绝缘衬底上的硅晶片，对所选硅晶片进行清洗，清除晶片表面的有机表面膜、杂质粒子和金属玷污；
步骤2：将清洗干净的上述硅晶片，置于密闭的含氮元素气体的氛围中，该气体氛围的压强为60~80 KPa；
步骤3：在上述气体氛围中，用超快激光辐照所述硅晶片，得到掺杂含有超饱和氮元素的硅片。
本发明中，步骤1中，所述硅晶片，不仅包括本征硅晶片、N型掺杂硅晶片及P型掺杂硅晶片，还可以是绝缘衬底上的硅晶片，该步骤能够保证对硅晶片的各个实施步骤中，没有其它污染物掺入硅晶片内部。
本发明中，步骤2中，所述含氮元素气体，是各种实验中常见的NF3、N2或NF3和N2以任意比例混合的气体，该气体压强为60~80 KPa，优选的气体压强为65~75 KPa。
本发明中，步骤3中，超快激光是指飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光；激光参数由所选择激光决定；
所述飞秒激光，其参数分别是脉宽80~290 fs、激光波长800~1064
nm、频率1~100 Hz、光通量1~30 kJ/m2，优选脉宽100~150 fs、波长800~1030 nm、频率1~10 Hz、光通量1~5 kJ/m2；
所述皮秒激光，其参数分别是脉宽20~50 ps、激光波长800~1064
nm、频率1~100 Hz、光通量1~30 kJ/m2，优选脉宽30~40 ps、波长1000~1064 nm、频率1~50 Hz、光通量1~15 kJ/m2；
所述纳秒激光，其参数分别是脉宽20~40 ns、激光波长200~300 nm、频率1~100 Hz、光通量10~40 kJ/m2，优选脉宽25~35 ns、波长240~260
nm、频率50~100 Hz、光通量20~30 kJ/m2。
本发明中，通过所述步骤3，着重在硅片内部掺入氮元素，掺杂浓度高达1020 cm-3，且位于间隙位并呈现出电惰性。硅片变形前，该超饱和重掺杂的氮元素会逐渐聚集于位错周围，形成团簇或复合物。这些团簇或复合物间有强烈的相互作用并锁定位错。该位错锁定效应的存在，使得硅晶片的机械性能得以增加，并使硅片受到外力时不易变形。同时，掺入氮后，位于间隙位的氮原子半径只有0.70 Å，而硅原子半径达到1.17
Å。由于氮原子半径与硅相比小40.1%，明显使晶格收缩而吸引氧原子产生微缺陷。当掺入氮浓度越大，大到超过其固溶度时，这种吸引氧原子的效果更加明显。由于该微缺陷的存在，使得氧的浓度阈值降低或造成加速氧沉淀的效果。因此，这一步是达到本发明目的的核心步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明采用在硅片内部用激光辐射方法，掺入超饱和重掺杂氮元素，使得氮元素分布于位错周围，形成团簇或复合物，这些团簇或复合物与位错间有强烈的相互作用，并达到锁定位错的效果，提高硅片的机械性能，使硅片在使用过程中夭折率减少。
2.在硅片内部掺入的氮元素属于超饱和重掺杂，使得氮在硅中吸引氧原子产生微缺陷的效果更加明显，由于该微缺陷的存在，氧的浓度阈值降低或加速氧沉淀，从而使硅晶片中的氧含量减少，提高硅片生产的器件性能。
3.该方法用于改善硅晶片的机械性能并降低其氧含量，不会对硅晶片带来不可预知的伤害。
4.除此之外，该方法用于改善硅材料的机械性能并降低其氧含量，不污染环境，成本低廉，工序简单，易于加工、操作和控制，是本领域技术人员容易操作上手的一项技术方案。
附图说明
图1 为现有方法得到的氮掺杂硅、FZ硅和CZ硅上屈服点与持续时间的关系。
其中横坐标为外力持续时间，单位为 h，纵坐标为上屈服点，单位为 MN/cm3。1为氮掺杂硅的关系图，2为FZ硅的关系图，3为CZ硅的关系图。
图2 氮掺杂硅表面，两个不同位置所测得的SIMS图。
其中横坐标为掺杂深度，单位为 nm，纵坐标为原子浓度，单位为 atom/cm3。
图3 掺氮方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
正如背景技术部分所述，目前业界内硅片具有机械性能低且氧含量较高的困惑，使得硅片产出率得不到提高。基于此窘境，本发明提供一种方法，试图解决该问题。
下面结合附图详细说明本发明所提供的方法。
实施例1.
准备商用FZ生长方法得到的硅晶片，该硅晶片厚度为350~500 um，将其切割成2 cm×2 cm的方形，对该硅片用RCA标准清洗法清洗；将清洗过的硅片立即置于压强为67~73 KPa的NF3气体氛围中；选择纳秒激光辐照置于NF3气体氛围中的硅晶片，该纳秒激光参数分别是脉宽25~30
ns、激光波长240~250 nm、频率为80~100 Hz、光通量为25~30 kJ/m2。用该方法得到的掺氮浓度约为1020 cm-3。
实施例2.
准备商用CZ生长方法得到的硅晶片，该硅晶片厚度为250~350 um；将其切割为2 cm×2 cm的方形，对该硅片用RCA标准清洗法清洗；将清洗过的硅片立即置于压强为67~73 KPa的N2气体氛围中；选择飞秒激光辐照置于N2气体氛围中的硅晶片，该飞秒激光参数分别是脉宽270~290 fs、激光波长1000~1030 nm、频率为1~5 Hz、光通量为0.5~0.75 kJ/m2。用该方法得到的掺氮浓度约为1020 cm-3。
实施例3.
准备商用CZ生长方法得到的硅晶片，该硅晶片厚度为300~400 um；将其切割为2 cm×2 cm的方形，对该硅片用RCA标准清洗法清洗；将清洗过的硅片立即置于压强为67~73 KPa的NF3和N2气体氛围中；选择皮秒激光辐照置于NF3气体氛围中的硅晶片，该皮秒激光参数分别为脉宽30~350 ps、激光波长1000~1030
nm、频率为频率1~50 Hz、光通量为10~15 kJ/m2。用该方法得到掺氮浓度约为1020 cm-3。
如图1，是FZ生长过程中，用现有方法得到的掺氮硅晶片，并将该晶片与通常所用FZ和CZ方法生长的硅晶片，中上屈服点与持续时间的关系，同时该图还说明了三种不同硅晶片在机械性能方面的对比。其中硅片掺氮浓度达到1016 cm-3，略高于氮在硅晶片中的固溶度4.5×1015
cm-3。FZ生长的硅晶片，机械性能随外力施加时间的延长保持不变，CZ生长的硅晶片机械性能随外力持续时间的延长而迅速减少，但是掺杂氮略高于固溶度的硅片始终比CZ和FZ生长的硅片，机械性能强。而且根据实验的重复性可以看到，外力持续6小时后机械性能达到最大。
如图2，是本发明方法在硅晶片中掺杂氮元素的SIMS图。为对比起见，选择位于硅片上两个不同的位置，分析掺氮浓度随深度的变化。两位置的SIMS曲线相似，所以用该方法所得氮在硅中的浓度分布具有可重复性。由图可知，硅晶片中掺杂的氮元素，在达到硅片1 um处时，浓度仍保持在1017 cm-3。
正如本发明方法所得，硅片内部超饱和重掺杂的氮元素（如图2），位于间隙位并呈现电惰性。硅片形变前，该超饱和重掺杂的氮元素逐渐聚集于位错周围，形成团簇或复合物。这些团簇或复合物间具有强烈的相互作用并将位错锁定。由于该位错的锁定效应，使硅晶片的机械性能增加，更容易抵抗外力（如图1所示）。同时，掺入氮元素后，位于间隙位的氮原子半径只有0.70 Å，而硅原子半径是1.17 Å。由于氮原子半径与硅相比小40.1%，明显使晶格收缩而吸引氧原子产生微缺陷。当掺入氮浓度越大，大到超过其固溶度时，这种吸引氧原子的效果更加明显。由于该微缺陷的存在，使得氧的浓度阈值降低或造成加速氧沉淀的效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1. 一种改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1：选择本征硅晶片、N型掺杂硅晶片、P型掺杂硅晶片或者绝缘衬底上的硅晶片，对所选硅晶片进行清洗，清除晶片表面的有机表面膜、杂质粒子和金属玷污；
步骤2：将清洗干净的上述硅晶片，立即置于密闭的含氮元素气体的氛围中，该气体氛围的压强为60~80 KPa；
步骤3：在上述气体氛围中，用超快激光辐照所述硅晶片，得到掺杂含有超饱和氮元素的硅片。
2. 如权利要求1所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于在步骤2中，所述含氮元素气体，是NF3、N2或NF3和N2以任意比例混合的气体。
3. 如权利要求1或2所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于在步骤2中，所述含氮元素气体压强为65~75 MPa。
4. 如权利要求1所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于在步骤3中，所述超快激光是指飞秒激光、皮秒激光或纳秒激光。
5. 如权利要求4所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于所述飞秒激光，其参数分别是脉宽80~290 fs、激光波长800~1064 nm、频率1~100
Hz、光通量1~30 kJ/m2。
6. 如权利要求4所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于所述皮秒激光，其参数分别是脉宽20~50 ps、激光波长800~1064 nm、频率1~100
Hz、光通量1~30 kJ/m2。
7. 如权利要求4所述的改善半导体硅晶片机械性能的方法，其特征在于所述纳秒激光，其参数分别是脉宽20~40
ns、激光波长200~300 nm、频率1~100 Hz、光通量10~40 kJ/m2。
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| CN102976326A (zh) * | 2012-12-17 | 2013-03-20 | 南开大学 | 一种硫掺杂硅纳米颗粒的制备方法 |
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- 2014-05-27 CN CN201410227149.3A patent/CN104008961A/zh active Pending
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